本发明涉及无线通信技术领域，具体是涉及一种基于FPGA的前端数字化装置。
背景技术：
在军事领域中，通常用“电磁环境复杂”描述客观存在的复杂电磁现象，通过信息设备的电磁兼容性来表征设备的抗干扰能力和鲁棒性；在工业领域，随着现代通信和电力电子技术的高速发展，以及大功率非线性设备的大规模应用，产生电力谐波污染电网的同时，还向周围辐射电磁波，因此，工业测控现场的电磁环境亦日趋复杂。而卫星通信、移动通信、电子对抗等电子系统装备恰恰长期工作于这种日趋复杂的电磁环境中，对设备的电磁兼容可靠性要求极高。
前端装备肩负着在快时变、大带宽、多维度的复杂电磁环境下对无线通信信道特征参数进行高精度、高分辨率、强实时性地采集和提取的任务，是研究和揭示时域、频域、能量域和空域等相关特征参数内在联系的基础，同时也是全面辩证地认识无线信道复杂性的前提。传统的前端装备仪器系统由前端一次仪表、后端二次仪表及其之间的传输线路构成，模/数转换器（ADC: Analog to Digital Converter）通常布置在后端二次仪表内，因此，传输线路上的有用信号为高敏感的模拟信号，极易受到电磁干扰而导致设备的可靠性降低。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种电磁兼容性强的基于FPGA的前端数字化装置。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种基于FPGA的前端数字化装置，包括数字化前端和分析后端，数字化前端与分析后端连接；所述数字化前端用于完成空间电磁信号的采集、预处理、存储及传输，并将原始空间电磁信号和特征值数据封装成数据帧，传输至分析后端；所述分析后端用于接收和解析数字化前端发送来的数据帧，对数据帧进行数据后处理，同时提供界面管理。
进一步，所述数字化前端和分析后端通过光纤线缆连接，数字化前端和分析后端之间采用光纤通信方式通讯。
进一步，所述数字化前端包括接收天线阵列、射频开关矩阵、信号变送模块、A/D采集模块、采集驱动模块、数字中频变换器、深度学习卷积计算层以及光纤传输协议层；所述接收天线阵列与射频开关矩阵连接；所述射频开关矩阵与信号变送模块连接；所述信号变送模块与A/D采集模块连接；所述A/D采集模块与采集驱动模块连接；所述采集驱动模块分别与数字中频变换器和光纤传输协议层连接；所述数字中频变换器与深度学习卷积计算层连接；所述深度学习卷积计算层与光纤传输协议层连接；
所述采集驱动模块、数字中频变换器、深度学习卷积计算层以及光纤传输协议层均以IP CORE的形式集成于FPGA内；
所述FPGA内嵌入处理器，所述处理器对采集驱动模块、数字中频变换器、深度学习卷积计算层以及光纤传输协议层的IP CORE进行任务管理；
所述接收天线阵列用于完成无线通信信道中的电磁信号的接收，接收天线阵列的天线阵元以阵列形式布置，支持多维度的空间电磁信号的接收；
所述射频开关矩阵用于完成空间电磁信号的自动切换和灵活接入；
所述信号变送模块用于完成空间电磁信号的下变频，将射频信号变送至中频；
所述A/D采集模块用于完成中频信号的高精度模数转换；
所述采集驱动模块用于完成A/D采集模块后的信号接收，并按照FPGA内Block RAM的时序特性输出片内数字信号；
所述数字中频变换器用于完成对片内数字信号时域、频域、能量域和空域的相关数据域变换和矩阵运算；
所述深度学习卷积计算层用于建立对复杂电磁环境下无线通信信道特征参数的深度学习训练模型，逼近式地求取无线通信信道的传递函数表达式，或建立空间参数的映射表；
所述光纤传输协议层用于将采集驱动模块后的片内数字信号和深度学习卷积计算层后的片内特征信号封装成数据帧信号，完成光纤通信接口的行为和逻辑控制，完成数字化前端中FPGA的AXI总线地址和分析后端的内存物理地址映射。
进一步，所述处理器为8位可裁剪的PicoBlaze软核处理器。
进一步，所述分析后端包括上位机软件系统和光纤传输网络；上位机软件系统与光纤传输网络连接，光纤传输网络与数字化前端的光纤传输协议层连接；
上位机软件系统用于提供数据解析软件、数据后处理软件和界面软件，数据解析软件用于接收和解析数字化前端发送来的数据帧；数据后处理软件用于对数据帧进行数据后处理；界面软件用于界面管理；
光纤传输网络用于提供数字化前端和上位机软件系统之间的双向高速通信链路。
进一步，所述界面管理的内容包括观察和记录数字化前端的空间电磁信号特征值分析结果以及感兴趣目标识别的报警情况；观察FPGA内的RAM资源消耗状况。
进一步，所述基于FPGA的前端数字化装置的数据流方向为：原始空间电磁信号依次经过接收天线阵列、射频开关矩阵、信号变送模块和A/D采集模块，得到原始数字信号；再经过采集驱动模块后得到的片内数字信号，片内数字信号分为两路，一路信号直接通向光纤传输协议层，另一路信号依次经过数字中频变换器和深度学习卷积计算层，深度学习卷积计算层计算得出片内特征信号，得出的片内特征信号通向光纤传输协议层；光纤传输协议层将片内数字信号和片内特征信号封装成数据帧信号，数据帧信号通过光纤传输网络透传至上位机软件系统。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
（1）易受电磁干扰的模拟信号在本发明数字化前端本地得以采集和处理，然后通过光纤通信方式传输至分析后端，彻底切断电磁骚扰的传播途径，保证敏感设备的电磁兼容性，根除传统模拟前端或测量仪表易受电磁骚扰的问题，进一步提升重大敏感装备的空间电磁信号特征参数测量能力。
（2）进一步引入FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列） ，构成具有强大数据预处理功能的新型数字化前端，从而使得海量的空间电磁信号在数字化前端本地得以预处理和分析，从根本上解决传统后端二次仪表（或后端处理器）的任务负荷和处理滞后。
（3）本发明所设计的数字化前端，发挥FPGA的高速并行优势的同时，应用极其精简并可重构的PicoBlaze软核处理器，完成FPGA内IP CORE的任务管理，降低FPGA的开发难度，缩短装备开发周期，电路规模小，硬件集成度高。
附图说明
图1是本发明的整体结构框图。
图2是本发明一实施例的具体结构方框图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
参照图1，本发明之基于FPGA的前端数字化装置包括数字化前端U1和分析后端U2；数字化前端U1和分析后端U2通过光纤线缆连接，数字化前端U1和分析后端U2之间采用光纤通信方式通讯。
数字化前端U1用于完成空间电磁信号的采集、预处理、存储及传输，并将原始空间电磁信号和特征值数据封装成数据帧，传输至分析后端U2。
分析后端U2用于接收和解析数字化前端U1发送来的数据帧，对数据帧进行数据后处理，同时提供界面管理。
无线通信信道U3是本发明之基于FPGA的前端数字化装置所指向的研究对象，使用时，数字化前端U1与无线通信信道U3连接，无线通信信道U3内产生空间电磁信号，本发明主要针对无线通信信道U3的时域、频域、能量域和空域特征参数的采集、分析和提取。
参照图2，数字化前端U1包括接收天线阵列U11、射频开关矩阵U12、信号变送模块U13、A/D采集模块U14、采集驱动模块U15、数字中频变换器U16、深度学习卷积计算层U17以及光纤传输协议层U18；接收天线阵列U11与射频开关矩阵U12连接；射频开关矩阵U12与信号变送模块U13连接；信号变送模块U13与A/D采集模块U14连接；A/D采集模块U14与采集驱动模块U15连接；采集驱动模块U15分别与数字中频变换器U16和光纤传输协议层U18连接；数字中频变换器U16与深度学习卷积计算层U17连接，深度学习卷积计算层U17与光纤传输协议层U18连接；使用时，接收天线阵列U11与无线通信信道U3连接。
采集驱动模块U15、数字中频变换器U16、深度学习卷积计算层U17以及光纤传输协议层U18均以IP CORE（Intellectual Property Core IP核，即知识产权核）的形式集成于FPGA内，各模块之间以AXI（Advanced eXtensible Interface 一种总线协议）总线方式通信。
FPGA内嵌入处理器，该处理器对采集驱动模块U15、数字中频变换器U16、深度学习卷积计算层U17以及光纤传输协议层U18的IP CORE进行任务管理。
FPGA内嵌入的处理器可为软核处理器或硬核处理器，软核处理器可为8位PicoBlaze软核处理器或32位MicroBlaze软核处理器，软核处理器具有可裁剪的特点；硬核处理器可为32位PowerPC硬核处理器。本实施例选用8位可裁剪的PicoBlaze软核处理器。
接收天线阵列U11用于完成无线通信信道U3中的电磁信号的接收，接收天线阵列U11的天线阵元以阵列形式布置，支持多维度的空间电磁信号的接收；
射频开关矩阵U12，用于完成空间电磁信号的自动切换和灵活接入；
信号变送模块U13，用于完成空间电磁信号的下变频，将射频信号变送至中频；
A/D采集模块U14，用于完成中频信号的高精度模数转换，其分辨率一般不低于14位；
采集驱动模块U15，用于完成A/D采集模块U14后的信号接收，并按照FPGA内Block RAM（块随机存储器）的时序特性输出片内数字信号S3；
数字中频变换器U16，用于完成对片内数字信号S3诸如时域、频域、能量域和空域的相关数据域变换和矩阵运算；
深度学习卷积计算层U17，用于建立对复杂电磁环境下无线通信信道U3特征参数的深度学习训练模型，逼近式地求取无线通信信道U3的传递函数表达式，或建立空间参数的映射表；深度学习卷积计算层主要涉及卷积和乘加运算；
光纤传输协议层U18，用于将采集驱动模块U15后的片内数字信号S3和深度学习卷积计算层U17后的片内特征信号S4封装成数据帧信号S5，完成光纤通信接口的行为和逻辑控制，完成数字化前端U1中FPGA的AXI（Advanced eXtensible Interface）总线地址和分析后端U2的内存物理地址映射。
分析后端U2包括上位机软件系统U21和光纤传输网络U22；上位机软件系统U21与光纤传输网络U22连接，光纤传输网络U22与数字化前端U1的光纤传输协议层U18连接。
上位机软件系统U21用于提供数据解析软件、数据后处理软件和界面软件，数据解析软件用于接收和解析数字化前端U1发送来的数据帧；数据后处理软件用于对数据帧进行数据后处理；界面软件用于界面管理；界面管理的内容包括观察和记录数字化前端U1的空间电磁信号特征值分析结果以及感兴趣目标识别的报警情况；观察FPGA内的RAM资源消耗状况。
光纤传输网络U22，用于提供数字化前端U1和上位机软件系统U21之间的双向高速通信链路，单个通道的通讯速率高达10 Gbps，单芯片可配置多达4个收发通道。
本实施例FPGA选用Xilinx公司的Virtex-7系列FPGA，采用“极光(Aurora)”通讯协议，可轻松实现数字化前端U1和分析后端U2的光纤通讯，双向单通道通讯速率高达10 Gbps，可根据具体需求，便利地配置多达4个收发通道。本发明可广泛应用于在快时变、大带宽、多维度的复杂电磁环境下，对无线通信信道特征参数进行高精度、高分辨率、强实时性地采集和提取。
本发明之基于FPGA的前端数字化装置的数据流方向为：源于无线通信信道U3的原始空间电磁信号S1为模拟信号，依次经过接收天线阵列U11、射频开关矩阵U12、信号变送模块U13和A/D采集模块U14，得到原始数字信号S2；再经过采集驱动模块U15后得到的片内数字信号S3，片内数字信号S3分为两路，一路信号直接通向光纤传输协议层U18，另一路信号依次经过数字中频变换器U16和深度学习卷积计算层U17，深度学习卷积计算层U17计算得出片内特征信号S4，得出的片内特征信号S4通向光纤传输协议层U18；光纤传输协议层U18将片内数字信号S3和片内特征信号S4封装成数据帧信号S5，数据帧信号S5通过光纤传输网络U22透传至上位机软件系统U21。
使用本发明之基于FPGA的前端数字化装置进行无线通信信道特征参数提取的方法为：
（1）安装数字化前端U1于具有良好散热和电磁屏蔽的机械结构中；给数字化前端U1上电，并检测电源工作是否正常，正常上电后电源指示灯亮起，整个数字化前端设备工作期间无过热、无异味；
（2）下载数字化前端U1的光纤通信测试子程序于数字化前端U1中，使用配套的光纤线缆连接数字化前端U1和分析后端U2，确认两者之间的基地址寄存器(Base Address Register)空间能够正常读写；
（3）下载数字化前端U1的片内数字信号S3，采集子程序于数字化前端U1中，重启数字化前端U1，运行分析后端U2的上位机软件，确认片内数字信号S3能够正常的采集；
（4）下载数字化前端U1的主程序于数字化前端U1中，重启数字化前端U1，运行分析后端U2的上位机软件，可以在界面软件程序中观察和记录数字化前端U1的空间电磁信号特征值分析结果以及感兴趣目标识别的报警情况，同时可以观察到FPGA内的RAM资源消耗状况。
（5）运行过程中，根据空间电磁信号在时域、频域、能量域和空域特征参数的实际情况，结合数字化前端U1所在处的电磁环境状况，视情况调整、改进、增加、删减数字化前端U1中数字中频变换器U16和深度学习卷积计算层U17的部分功能；
（6）优化完成后，重复以上（4）、（5）步骤，直至满足特定复杂电磁环境下空间电磁信号特征参数的提取精度指标和速度要求。
本发明之基于FPGA的前端数字化装置，电路规模小，硬件集成度高，具有良好的信号完整性和电磁兼容性，可用于复杂电磁环境下的高精度测量。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。